伴隨著海洋開發(fā)過程中人們對海量信息需求的日益多樣化，傳統(tǒng)海洋測繪體系已轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化測繪技術(shù)體系，海洋綜合導(dǎo)航定位系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣泛。如今，海底地震勘探技術(shù)正在逐步成熟，海底地震勘探技術(shù)是海洋深處地質(zhì)調(diào)查和海洋資源探測的重要手段。海底地震儀OBS(Ocean Bottom Seismometer)是一種可以放置在海底接收人工或天然地震信號的記錄儀器[1],通過將OBS布設(shè)于海底，廣方位角接收海洋調(diào)查船拖曳震源觸發(fā)放炮后的縱橫波信息,實現(xiàn)對海底深部構(gòu)造的探測[2]。

    OBS布設(shè)導(dǎo)航定位系統(tǒng)(OBSNavGIS)是集數(shù)據(jù)實時采集、通信、解析、電子海圖顯示等功能為一體的海洋導(dǎo)航定位系統(tǒng)，通信模塊是整個系統(tǒng)的重要組成部分，其實時性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性直接影響導(dǎo)航定位系統(tǒng)的性能。目前國內(nèi)外大多數(shù)水下測量導(dǎo)航軟件都支持通過RS232串口或并口連接多種傳感器,如GPS接收機(jī)、回聲測深儀、剖面儀、涌浪儀以及USBL[3]，其中最常用的通信方式是串行通信。但是采用串行通信方式也存在一些問題，即當(dāng)終端連接多個傳感器設(shè)備時，繁瑣的串口參數(shù)配置和雜亂的線路布設(shè)極大地影響了作業(yè)效率和作業(yè)環(huán)境。隨著Internet技術(shù)的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)的可行性大大加強(qiáng)，在導(dǎo)航領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)能夠有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)串行通信技術(shù)的不足，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，發(fā)展前景廣闊。
    本文設(shè)計并實現(xiàn)了支持TCP網(wǎng)絡(luò)通信，同時兼容傳統(tǒng)串口通信的OBSNavGIS設(shè)備通信模塊，以此實現(xiàn)對多源數(shù)據(jù)的實時采集、多設(shè)備的統(tǒng)一管理，以及長時間的連續(xù)監(jiān)測，為海洋布設(shè)導(dǎo)航過程提供全面可靠的數(shù)據(jù)。

1 OBS布設(shè)導(dǎo)航定位系統(tǒng)
    OBSNavGIS是集數(shù)據(jù)實時采集、通信、解析及電子海圖顯示功能為一體的海洋導(dǎo)航定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在落實天然氣水和物資源勘查技術(shù)的研究，主要包括對OBS高精度投放與定位技術(shù),以及海底OBS實時可視化投放技術(shù)的研究與實現(xiàn)。系統(tǒng)采用層次化的體系架構(gòu)，主要分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層。表現(xiàn)層主要負(fù)責(zé)電子海圖的顯示和OBS投放觀測;業(yè)務(wù)層涵蓋了對設(shè)備的管理和OBS投放控制;數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)底層數(shù)據(jù)訪問和硬件交互。軟件架構(gòu)如圖1所示。

2 多路設(shè)備實時通信模塊的設(shè)計
2.1 功能設(shè)計
    多路設(shè)備實時通信模塊是一個通用接口模塊，也是整個系統(tǒng)中最基礎(chǔ)、最核心的單元。主要由數(shù)據(jù)層的通信構(gòu)件和業(yè)務(wù)層的設(shè)備管理模塊構(gòu)成。其中通信構(gòu)件主要負(fù)責(zé)與底層硬件交互,對不同的通信機(jī)制進(jìn)行封裝，采集解析多路設(shè)備數(shù)據(jù)，為上層的設(shè)備管理提供基本的數(shù)據(jù)訪問支持。主要包括以下功能：
    (1)連接RS232標(biāo)準(zhǔn)的串口設(shè)備，能實時獲取多個串行數(shù)據(jù)，提供有效的同步機(jī)制，協(xié)調(diào)多線程的并行；
　 (2)建立基于TCP/IP通信協(xié)議的客戶端與服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)連接，控制客戶端的數(shù)據(jù)訪問；
　 (3)解析多路設(shè)備的數(shù)據(jù)。提供不同設(shè)備的解析驅(qū)動，對不同設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行語法和語義的分析。
    設(shè)備管理模塊主要負(fù)責(zé)通信方式的集成和設(shè)備的統(tǒng)一管理。主要包括以下功能：
　(1)構(gòu)建抽象的設(shè)備對象，提供統(tǒng)一的設(shè)備訪問控制接口,集成串口和TCP/IP兩種不同的通信方式連接設(shè)備；
　(2)管理抽象的設(shè)備對象,處理用戶的設(shè)備操作請求,完成屬性設(shè)置、添加/刪除、啟動/停止、狀態(tài)查詢等操作。
2.2 模塊設(shè)計
2.2.1 串口通信硬件連接設(shè)計
    OBSNavGIS系統(tǒng)中串口通信是指用戶通過計算機(jī)串口實現(xiàn)計算機(jī)應(yīng)用程序(OBSNavGIS)與多路設(shè)備之間的通信。串口均是按位進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收[5]。OBSNavGIS的外設(shè)通過RS232串口與主機(jī)相連,外設(shè)有：GPS(含DGPS)、羅經(jīng)、OBS以及水深儀。
2.2.2 網(wǎng)絡(luò)通信硬件連接設(shè)計
　OBSNavGIS系統(tǒng)中TCP網(wǎng)絡(luò)通信主要負(fù)責(zé)接收遵循TCP/IP通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，需要借助多串口轉(zhuǎn)網(wǎng)關(guān)[6]將串口設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議接入Internet。多串口轉(zhuǎn)網(wǎng)關(guān)的主要作用是把串口數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流。
　本系統(tǒng)中，采用RS232通信接口將DGPS（船位）、水下OBS(水下定位)等NMEA-0183[7]格式數(shù)據(jù)，船艏向、水深等定位數(shù)據(jù)接入導(dǎo)航接口單元，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線發(fā)送給系統(tǒng)。
3 多路設(shè)備實時通信模塊的實現(xiàn)
3.1 關(guān)鍵技術(shù)
3.1.1 串口與TCP通信技術(shù)的集成
    串口和TCP通信技術(shù)的集成主要采用了面向?qū)ο罄^承和多態(tài)機(jī)制，并將其封裝起來，屏蔽業(yè)務(wù)模塊對通信技術(shù)的直接訪問，通信模塊核心類圖如圖2所示。類CDeviceManage負(fù)責(zé)設(shè)備管理，維護(hù)一個抽象的CDeviceObj設(shè)備對象引用集合,提供對設(shè)備控制的操作，并將多種設(shè)備集成到同一平臺,實現(xiàn)一體化組織和管理，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

    CDeviceObj作為設(shè)備的抽象類，提供了設(shè)備啟動和停止的接口方法，CSerialDev和CTCPDev繼承自CDeviceObj，分別基于串口和TCP/IP兩種不同通信機(jī)制的實現(xiàn)形式。CSerialDev和CTCPSocket都將具體實現(xiàn)底層通信構(gòu)件類CSerialWithBuffer和CTCPSocket，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。
3.1.2 串口通信技術(shù)的應(yīng)用
    OBSNavGIS串口通信構(gòu)件使用第三方通信類CSerialWithBuffer進(jìn)行通信設(shè)計。CSerialWithBuffer指基于多線程對處理串口的Windows API進(jìn)行封裝。為了有效解決串口上占用CPU時間而引起的線程堵塞問題，將串口數(shù)據(jù)的采集存儲和讀取處理分置到串口監(jiān)視線程和入庫線程中。
3.1.3 TCP網(wǎng)絡(luò)通信的應(yīng)用
    OBSNavGIS系統(tǒng)中TCP網(wǎng)絡(luò)通信分為服務(wù)器和客戶端兩部分，OBSNavGIS系統(tǒng)作為客戶端，用類CTcpSocket實現(xiàn)與服務(wù)器端的交互，CTcpSocket對Windows Socket API進(jìn)行了封裝，其中包含一個CDateBuffer類型的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接時，調(diào)用CTcpSocket的Connect（）向服務(wù)器端發(fā)出連接請求，連接后調(diào)用StartReciving（）向服務(wù)器發(fā)送讀設(shè)備數(shù)據(jù)請求，并啟動數(shù)據(jù)監(jiān)聽線程?？蛻舳耸盏綌?shù)據(jù)后存入緩沖區(qū)，并借助回調(diào)函數(shù)[7]通知主程序讀取數(shù)據(jù)。
3.2 具體實現(xiàn)
　 在Window平臺上，使用VS2010開發(fā)OBSNavGIS系統(tǒng)的各個模塊。
3.2.1 基于串口通信技術(shù)的實現(xiàn)過程
　 串口讀取數(shù)據(jù)的基本工作流程為：
　 (1)調(diào)用CSerialWithBuffe的Setup（）方法初始化。
　 (2)調(diào)用Open（）開啟串口，然后依次調(diào)用StartListener（）啟動串口監(jiān)測線程，WaitEvent（）對串口上發(fā)生的事件進(jìn)行獲取和處理，WaitForSingleObject（）對串口相關(guān)的用戶控制事件進(jìn)行等待和處理，OnEvent（）將數(shù)據(jù)寫入緩沖，并以消息方式通知主程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
    (3)調(diào)用Close（）StopListener（）關(guān)閉串口監(jiān)聽線程。
    添加串口通信設(shè)備的對話框如圖3所示，圖右側(cè)顯示了從串口3接收NMEA0183格式的GPS導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)。

3.2.2 基于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的實現(xiàn)過程
    為實現(xiàn)多客戶機(jī)/服務(wù)器通信，在服務(wù)器端采用多線程技術(shù)，負(fù)責(zé)接收各設(shè)備通過串行口發(fā)送的數(shù)據(jù)，等待并監(jiān)聽多個客戶機(jī)的連接請求，同時創(chuàng)建一個獨立的線程把接收到的數(shù)據(jù)流發(fā)送到客戶端。
4 多路設(shè)備實時通信方式的對比分析
    OBSNavGIS系統(tǒng)中，串口通信和網(wǎng)絡(luò)通信都能滿足系統(tǒng)的需求，本文設(shè)計是集合以上兩種方式的通信方式。表1為三種通信方式的簡單比較。

    串口通信的優(yōu)勢在于成本低、簡捷靈活、硬件接口簡單、編程難度相對小，適合點對點的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，但對于實時性要求高或遠(yuǎn)距離時不適合采用串口通信。TCP網(wǎng)絡(luò)通信傳輸距離理論上無限制，易于進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，但成本高[8]。將上述兩種通信方式集成的通信技術(shù)結(jié)合了串口和TCP網(wǎng)絡(luò)通信的優(yōu)點，有效避免了缺陷，更適合實際作業(yè)中根據(jù)具體情況進(jìn)行合理的選擇，從而達(dá)到資源利用的最大化，提高了效率。
    針對單一的通信技術(shù)不能滿足水下測量導(dǎo)航的應(yīng)用需求，本文設(shè)計并實現(xiàn)了OBS導(dǎo)航定位的多路設(shè)備實時通信模塊，集成了串口和TCP網(wǎng)絡(luò)兩種通信技術(shù)，為海洋調(diào)查提供了準(zhǔn)確、多樣化的科研數(shù)據(jù)，同時對兩種通信方式進(jìn)行了簡單的分析和比較。優(yōu)化通信時延處理是提升信息采集整體質(zhì)量和系統(tǒng)高效穩(wěn)定的關(guān)鍵，今后將進(jìn)一步對該技術(shù)進(jìn)行研究，以提高通信時延和系統(tǒng)的實時性，優(yōu)化海洋定位系統(tǒng)的效率。
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